青岛市太阳总辐射的变化特征分析

青岛市太阳总辐射的变化特征分析
王芳超;姜雯;崔日鲜
【摘要】In this study,the Angstrom formula was used to calculate global solar radiation based on daily sunshine duration data of Qingdao station during the period 1961-2012.The temporal trend and abrupt change of annual and seasonal total global solar radiation were detected with the methods of linear regres-sion and Pettitt test,respectively.The results showed that the annual global solar radiation in Qingdao ex-hibited decreasing trend during 1961—2010 and the decreasing rate was 86.69 MJ/decade.A significant downward shift in annual global solar radiation was detected in 1 9 9 3 through the Pettitt test.On the sea-sonal scale,the significant decreasing trends were identified in summer,autumn,and winter.The decrea-sing rate in spring,summer,autumn,and winter were 8.41,40.23,17.79,and 20.26 MJ/decade,re-spectively.Significant downward shifts in summer,autumn,and winter were detected in 1993,1998,and 1996,respectively.Annual global solar radiation in Qingdao had significantly positive correlation with an-nual mean wind speed,and significant negative correlations with annual mean actual vapor pressure,and relative humidity.%利用青岛市1961—2012逐日日照时数资料,采用 Angstrorm 公式计算了逐日太阳总辐射,并利用线性倾向估计法和Pettitt突变检验方法对青岛市年和四季太阳总辐射的变化进行了分析。

结果表明,1961—2012年间青岛市年太阳总辐射呈明显减小趋势,其气候倾向率为-86.69 MJ/10a,达到了极显著水平。

年太阳总辐射时间序列的减小突变发生在1993年。

青岛市四季
太阳总辐射均呈明显的减小趋势,其中夏季太阳总辐射的减小速率最大,春季减小速
率最小,四季太阳总辐射的气候倾向率分别为-8.41,-40.23,-17.79和-20.26
MJ/10a。

夏季、秋季和冬季太阳总辐射时间序列出现减小突变,突变出现年份分别为1993,1998和1996。

青岛市年太阳总辐射与年平均风速呈显著正相关,而与年
平均实际水汽压和相对湿度呈显著负相关。

【期刊名称】《青岛农业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2014(000)004
【总页数】6页(P266-271)
【关键词】太阳总辐射;变化趋势;突变;青岛
【作者】王芳超;姜雯;崔日鲜
【作者单位】青岛农业大学农学与植物保护学院，山东省旱作农业技术重点实验室，山东青岛 266109;青岛农业大学农学与植物保护学院，山东省旱作农业技术重点
实验室，山东青岛 266109;青岛农业大学农学与植物保护学院，山东省旱作农业
技术重点实验室，山东青岛 266109
【正文语种】中文
【中图分类】P422.1
太阳辐射是大气运动的原动力和天气、气候形成的重要因子，也是影响作物生长发育及产量的重要环境因素。

研究太阳辐射的变化，不但具有直接的气候意义，同时对太阳辐射资源的开发利用有指导意义[1]。

大气中二氧化碳等温室气体的持续增多导致了全球和局地气候特征的明显变化，如气温、降水量、水汽压、日照时间和太阳辐射等[1-6]，而地面太阳辐射的变化由
云量、大气中的水汽和气溶胶粒子等的变化所导致[1,7]。

国内外学者对地面太阳
辐射的变化趋势进行了大量研究，发现到达地面的太阳辐射随时间的变化并不稳定，且年代际交替出现明显的减少和增加趋势[1,8-12]。

从20世纪60年代开始到21
世纪前10年间，我国各地的地面太阳总辐射总体上呈现下降趋势，20世纪60年代和70年代以上升趋势为主，80年代则趋于明显下降，而到了90年代以后个别站点略有上升[8]。

1961—2008年间我国华东地区平均太阳总辐射呈减小趋势，
自进入21世纪后在平均线上下波动，并略有增加[1]。

地面太阳总辐射的变化与日照时数、风速和云量等有关[8]，而日照时数、云量、风速和气溶胶等具有明显的
区域性差异，它也是导致地面太阳总辐射的变化具有区域性特征的原因[8，13]。

有关太阳辐射的变化、评估等研究所用的资料多数来自于估算[14-15]。

Angstrorm公式因其所具有的计算方便、精度高等特点，被广泛应用于地面太阳
辐射的估算。

Angstrorm公式中的经验系数a和b可利用太阳辐射实测值来确定，而无太阳辐射实测值的情况下，且以天文辐射作为起始太阳辐射时，经验系数a，b可取0.25，0.5[16]。

但多数研究结果表明经验系数a，b因地区或季节而异[17-19]，和清华[18]等利用我国54个站1961—1990的太阳辐射观测资料建立
了适合我国东部地区、西部地区和全国的太阳辐射计算公式，其中，以天文辐射为起始值计算太阳辐射时，适合于我国东部地区的经验系数a，b分别为0.143和0.585。

本研究首先基于青岛市近52a(1961—2012)逐日日照时数，利用Angstrorm公
式计算逐日太阳总辐射，最后采用线性倾向估计法和Pettitt非参数检验方法对青
岛市地面太阳辐射时间序列的变化特征进行了分析。

青岛市地处山东半岛南端，位于东经119°30′至121°00′，北纬35°35′至37°09′。

地势东高西低，南北两侧隆起，中间低凹。

青岛市地处暖温带季风区，气候属暖温带季风气候。

1.1 资料来源
本研究所用的资料为青岛市1961—2012的逐日日照时数、风速、实际水汽压和
相对湿度,资料均来自于国家气象局气象信息中心。

1.2 研究方法
1.2.1 太阳总辐射的计算
利用Angstrom公式计算每日太阳总辐射[16]，具体为：
Rs=Ra(a+b)
式中，Rs为地表接受的太阳总辐射；Ra为天文辐射；n为日照时数；N为可照时间；a，b为系数。

天文辐射是指到达大气上界的太阳辐射，其分布和变化不受大气影响，其大小受日地距离、太阳高度角和白昼长度的影响，可由下式计算[16]：
Ra=Gscdr(ωssinφsinδ+cosφcosδsinωs)
式中，Ra为天文辐射(MJ·m-2·d-1)；Gsc为太阳常数(0.082 MJ·m-2·min-1)；dr 为日地相对距离的倒数；φ为纬度；δ为太阳赤纬；ωs为日没时的时角。

其中，
日地相对距离的倒数(dr)、太阳赤纬(δ)和日没时的时角(ωs)分别由式(3)、(4)和(5)计算。

dr=1+0.033cos[J)
δ=0.409sin[J-1.39]
ωs=arccos[-tan(φ)tan(δ)]
式(3)、(4)中的J为年内的天数，1月1日时为1，12月31日时为365或366(闰年)。

式(5)中φ为当地纬度。

本研究参考和清华[18]等的研究结果，Angstrom公式中的两个经验参数a,b设定为0.143和0.585。

利用Angstrom公式计算青岛市逐日太阳总辐射值后，得出年和四季太阳总辐射。

四季的划分采用气候统计常规划分方法，即：春季为3—5月、夏季为6—8月、
秋季为9—11月、冬季为12月和翌年1—2月。

1.2.2 气候倾向率
用xi表示样本量为n的某一气象要素，用ti表示xi所对应的时间，建立xi与ti
之间的一元线性回归方程[8，20]：
式中为气象要素的拟合值，t为时间序列；回归系数β和常量α用最小二乘法估计。

气象倾向率为β×10，其含义为气象要素每10a的变化速率。

若气候倾向率大于零，说明该气象要素随时间t的增加呈上升趋势；气候倾向率小于零，说明随时间t的增加呈下降趋势。

变化趋势的显著性可通过t测验进行判断，检验统计量t用式(7)计算。

t=
式中：r为相关系数；n为样本数。

统计量t服从自由度为n-2的t分布。

在给定
的显著性水平α，当t>t(α/2,n-2)时，拒绝原假设，即认为xi的变化趋势是显著的。

1.2.3 Pettitt突变点检验
要素为X1,X2,…,Xt和Xt+1,…,XT的随机系列均来源一个样本总体。

假设连续序列在τ时刻存在一个突变，对于t=1,…,τ,有函数F1(x),而t=τ+1,…,T，有函数F2(x)，且F1(x)≠F2(x)，则τ为显著突变点。

原假设H0表示时间序列数据(x1,x2,…,xn)无变点；备择假设H1表示有突变。

通
过非参数统计量KT进行统计检验[21-22]。

或
其中
突变点的显著性水平，可用下式计算：
P±=exp{-6(k±)2/(T3+T2)}
2.1 青岛市太阳总辐射时间序列的变化趋势
利用青岛市1961—2012逐日日照时数数据，首先利用Angstrom公式计算了青
岛市逐日太阳辐射值，之后计算了1961—2012期间年和四季太阳总辐射。

图1
为青岛市1961—2012年期间年和四季太阳总辐射的逐年变化。

由图1可见：近52a来年太阳总辐射在4261.9～5320.0 MJ/m2之间，年太阳总辐射的多年平均
值为4888.4 MJ/m2，其中年太阳总辐射最低的年份为2003，最高年份为1981；青岛市年太阳总辐射时间序列呈现明显的下降趋势，其气候倾向率为-86.69
MJ/10a，达到了极显著水平，即下降趋势明显。

1961—2012青岛市四季太阳总辐射的变化范围分别为1221.2～1704.4，1145.4～1805.3，929.0～1251.5和624.4～962.3 MJ/m2。

多年平均值分别为1507.0，1493.9，1089.5和797.9 MJ/m2，其中春季太阳总辐射最低年份为1998，最高年份为1962；夏季太阳总辐射最低年份为2003，最高年份为1992；秋季太阳总辐射最低年份为2011，最高年份为1991；冬季太阳总辐射最低年份
为1968，最高年份为1962。

由图1可以看出，除春季太阳总辐射外，夏季、秋
季和冬季太阳总辐射均呈显著下降趋势，其太阳总辐射的气候倾向率分别为-
40.23，-17.79和-20.26 MJ/10a。

t测验结果表明夏季和冬季太阳总辐射的下降
趋势通过了α=0.01显著性水平，秋季太阳总辐射的下降趋势通过了α=0.05显著性水平检验。

2.2 青岛市太阳总辐射时间序列的突变
利用Pettitt非参数检验方法对青岛市年和四季太阳总辐射时间序列进行了突变检验，其结果见表1和图2所示。

由表1和图2可见，除春季太阳总辐射外，全年、夏季、秋季和冬季太阳总辐射时间序列均出现减小突变，其中全年和夏季太阳总辐射的减小突变通过了α=0.001显著性水平检验，秋季和冬季太阳总辐射的减小突
变通过了α=0.01显著性水平检验。

全年、夏季、秋季和冬季突变发生年份分别为
1993,1993,1998和1996。

2.3 青岛市年太阳总辐射与年平均风速、水汽压和相对湿度的关系
图3为1961—2012年期间青岛市年太阳总辐射、平均风速、实际水汽压和相对
湿度的年际变化。

从图3中可以看出，从1993年开始，年平均风速均小于多年平均值(多年年平均风速为4.88 m/s)，年平均风速的减小趋势非常明显，t测验结果表明其减小趋势达到了极显著水平。

风速的大小直接影响大气污染物和气溶胶的稀释扩散，进而影响到达地面的太阳总辐射[8]。

近52a来，年平均相对湿度虽与太
阳总辐射一样也呈减小趋势，但大部分年份其逐年变化与年太阳总辐射的变化相反，即相对湿度较低时，太阳总辐射值较高，而相对湿度较高时，太阳总辐射值较低。

实际水汽压的逐年变化与相对湿度的变化较为一致(相关系数为0.6294，n=52)，而在大部分年份，其变化与年太阳辐射的变化相反，即实际水汽压较低时，太阳辐射较强，实际水汽压较高时，则相反。

对青岛市1961—2012年期间的年太阳总辐射、年平均相对湿度、年平均风速和
年平均实际水汽压数据进行了相关分析，其结果见图4所示。

青岛市年太阳总辐
射与风速等指标均呈显著相关，其中年太阳总辐射与年平均风速呈极显著正相关。

而与年平均实际水汽压和相对湿度呈显著负相关，其中与平均实际水汽压的相关性达到极显著水平(α=0.01)，与平均相对湿度的相关性达到显著水平(α=0.05)。

相
关分析结果基本反映了年太阳总辐射、风速等的逐年变化特征，即风速小、实际水汽压高、相对湿度大，则太阳总辐射值低，而风速大、实际水汽压低、相对湿度小，则太阳总辐射值低。

近52a来，青岛市年和四季太阳总辐射呈减小趋势，年太阳总辐射的气候倾向率
为-86.69 MJ/10a。

马金玉[8]、王建源[14]等也报道过类似的结论，马金玉[8]等
指出，1961—2007年间全国57个太阳辐射观测站年太阳总辐射总体上呈减小趋势，其中济南的减小速率为174.0 MJ/10a。

王建源[14]等指出，1961—2000间
济南、福山、莒县的年太阳总辐射呈减小趋势，其中济南的减小速率为225.0
MJ/10a。

在青岛市四季太阳总辐射时间序列中，减小趋势最明显的季节为夏季，气候倾向率为-40.23 MJ/10a，这与王雅婕[23]等的我国大部分地区夏季太阳总辐射的减少幅度最大的结论一致。

影响地面太阳总辐射变化的因素很多，原因也较复杂，很难从几个因素的变化来解释，且引起太阳辐射变化的地区间差异也很大[1，7-8，24]。

云量、大气中的水
汽和气溶胶粒子等是影响太阳辐射变化的主要因素[1,7，24]，其中气溶胶粒子、
大气污染物等的稀释扩散受风速的影响较大，实际水汽压则直接反映大气中的水汽含量，相对湿度则反映当时温度下空气离水汽饱和的远近程度。

本研究选择年平均风速、实际水汽压和相对湿度，与年太阳总辐射进行了相关分析，相关分析结果表明年太阳总辐射与风速呈极显著正相关，而与实际水汽压和相对湿度呈显著负相关，即青岛市太阳总辐射的减小主要与风速的减小、实际水汽压的增大有关，而风速的减小主要受地表性质改变的影响，实际水汽压的增大主要受气温升高的影响。

(1)1961—2012年期间，青岛市年太阳总辐射呈减小趋势，年太阳总辐射的气候
倾向率为-86.69 MJ/10a，达到了极显著水平。

青岛市年太阳总辐射时间序列发生了减小突变，突变出现年份为1993。

(2)青岛市四季太阳总辐射均呈减小趋势，其中夏季太阳总辐射的减小幅度最大，
春季最小，夏季、秋季和冬季减小趋势达到显著水平。

四季太阳总辐射的气候倾向率分别为-8.41，-40.23，-17.79和-20.26 MJ/10a。

夏季、秋季和冬季太阳总辐射时间序列出现减小突变，突变年份分别为1993，1998，1996。

(3)青岛市年太阳总辐射的变化与年平均风速、实际水汽压和相对湿度显著相关，
其中，与风速呈显著正相关，与实际水汽压、相对湿度呈显著负相关。

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